Am Fraunhofer-Institut können Hersteller ihre Windkraftkomponenten testen lassen
Testkammer simuliert raue Umweltbedingungen
Forscher des Fraunhofer Instituts IWES haben eine Testkammer entwickelt, mit der man erstmals im Labor simulieren kann, wie raues Meeresklima und mechanische Belastungen durch Wind und Wellenschlag Offshore-Windenergieanlagen schädigen. Auf der Hannover-Messe wird die Anlage der Öffentlichkeit vorgestellt.
Offshore-Windkraftanlagen sind harten Umweltbedingungen ausgeliefert: Wellen schlagen gegen den Turm, Salznebel legt sich auf Gondel und Rotorblatt, und vor allem im Sommer kommt intensive UV-Strahlung hinzu. Bislang weiß niemand, wie gut die Windräder die vorgesehenen 20 Jahre Dienstzeit überstehen werden – denn solchen Belastungen wie im Meer mussten Windenergieanlagen noch an keinem anderen Ort auf der Welt widerstehen. Interessant ist vor allem die Frage, wie zerstörerisch all diese Umweltbedingungen im Zusammenspiel wirken.
Das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES in Bremerhaven hat nun eine eigene Klimakammer entwickelt, in der sich Teile von Offshore-Bauwerken umfassend testen lassen. »Wir kombinieren darin das Umgebungsklima mit mechanischen Belastungen«, sagt Projektleiterin Leena Kruse. »Eine solche Kombination ist bisher einzigartig.« Die Forscher können in der Kammer Bleche, Faserverbundwerkstoffe und andere Materialien testen. Die Anlage ahmt alles nach, was dem Windrad auf See widerfährt. Sie versprüht Salznebel. Sie bestrahlt die Proben mit aggressivem UV-Licht. Beim »Schwalltest« werden die Bleche und die Kunststoffe mit einem kalten Wasserstrahl abgeschreckt, was den Wellenschlag simuliert. Darüber hinaus lässt sich die Kammer von -30 bis +100 Grad Celsius bei einer relativen Luftfeuchte von 10 bis 95 Prozent temperieren.
Kombiniert prüfen
Die Materialproben werden zur Simulation der mechanischen Belastung zwischen zwei Stahlbacken eingespannt, die die Proben hin und her biegen. Ein Vorteil dieser Kombinationsprüfung ist, dass sich jetzt erstmals sehr genau feststellen lässt, durch welche Kräfte oder Umweltbedingungen ein Schaden entsteht. »Wir können verschiedene Faktoren beliebig kombinieren und damit die Ursachen sehr genau eingrenzen«, sagt Kruse.
Die Kammer wurde aus robustem Offshore-Stahl gefertigt, der den rauen Testbedingungen widersteht. Von der ersten Idee bis zur vollständigen Umsetzung im Betrieb dauerte es fast zwei Jahre. Herausgekommen ist ein widerstands- und leistungsfähiges Testinstrument – mit hydraulischen Antrieben, Ventilen, Wasserschläuchen und -düsen. Die Tests werden unter anderem von Sensoren überwacht, die auf die Bauteile aufgebracht werden – Dehnungs-Messstreifen zum Beispiel, die spüren, wenn das Material Risse bekommt. Die Messwerte der Sensoren werden zu einem mannshohen Steuerschrank geleitet, an dem die Techniker exakt die Test-Bedingungen vorwählen und zugleich die Sensordaten auswerten. So lässt sich ermitteln, bei welchen Bedingungen und in welcher Sekunde ein Bauteil versagt, und auch, wann ein Sensor seinen Dienst quittiert.
Sensoren überwachen Testlauf
Die Sensoren erfüllen einen doppelten Zweck. Zum einen überwachen sie den Testlauf. Zum anderen werden sie in der Klimakammer selbst getestet. Künftig sollen Offshore-Windräder zunehmend mit Sensoren ausgestattet werden, so dass vom Festland aus der Zustand der Windenergieanlagen überwacht werden kann. Dafür sind robuste Sensoren besonders wichtig. Die Kammer erfüllt DIN- und ISO-Normen. Letztlich leistet sie aber deutlich mehr, denn bislang gibt es noch keine Normen oder Vorschriften für Anlagen, die Klimatests und mechanische Lasten gleichzeitig simulieren. Seit Anfang März ist die Anlage in Betrieb. Das IWES wird darin künftig insbesondere Tests im Auftrag von Offshore-Herstellern durchführen.
Fraunhofer-Gemeinschaftsstand, Halle 27, Stand H24
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